CN103368161B - 具有过压保护的开关装置 - Google Patents

Abstract

具有过压保护的开关装置。在不改变总最低耐压强度的情况下，安全开关应在其结构形式方面缩小。因此建议一种开关装置，其具有第一开关接点（P1）和第二开关接点（P2）以及连接在第一开关接点（P1）和第二开关接点（P2）之间的开关元件（K1），其中当由开关元件（K1）非导通地连接第一和第二开关接点时，在第一和第二开关接点之间得出预先确定的总最低耐压强度。至少一个电子器件（5）连接在第一开关接点（P1）和开关元件（K1）之间。限制电压的器件（VDR）与开关元件（K1）并联，并且开关元件（K1）拥有最低耐压强度，该最低耐压强度小于在第一和第二开关接点（P1，P2）之间的总最低耐压强度。

Description

具有过压保护的开关装置

技术领域

本发明涉及一种开关装置，该开关装置具有第一开关接点和第二开关接点以及连接在第一开关接点和第二开关接点之间的开关元件，其中当由开关元件非导通地连接第一和第二开关接点时，在第一和第二开关接点之间得出预先确定的总最低耐压强度。

背景技术

如果（例如继电器、闸门等）的开关接点在断开状态下必须具有最低耐压强度，则这在当前只有通过将继电器接点的开路路段选得足够大才能解决。但是这通常导致大的构造形式。在检查最低耐压强度时，在机械开关元件中一方面检查相对于持续时间较长的耐受电压的强度（耐受耐压强度），并且另一方面检查在开关元件断开的情况下相对于短的冲击电压的强度（冲击耐压强度）。在半导体开关元件（例如晶体管、晶闸管等）的情况下，通常只检查冲击耐压强度。

在特殊的应用情况下，例如对于测量目的必须可转换地跨接绝缘路段（绝缘装置、空气路段/漏电路段）。在此情况下，相应的开关接点在断开状态下必须经受住也适用于绝缘装置的同样的负荷（例如类似于在IEC61140-1中的5.3.4章中的保护阻抗）。例如冲击耐压强度的检查也归于此。当前通过如下方式来实现这样的要求，即在断开状态下空气路段和漏电路段（LuK）满足最低要求。

如果应例如可以将具有电源插头（来自三相电网的230V供电电压）和例如6V的电压输出端（小电压）的充电设备例如分配给根据标准IEC60664-1的过压类别CATIII，则必须确保在所谓的“危险的有源部件”（电源插头）和小电压电路（SELV，PELV等等）之间的6kV的测定冲击电压。这对于不均匀的场可以通过5.5mm的最小LuK来达到。

这些要求例如由型号为OA/OW5669的Dold安全继电器利用对于1.2/50μs脉冲（波前持续时间/下降半值时间）在开关接点之间为6kV的耐压强度来满足。这样的继电器不仅比较昂费，而且它也拥有尺寸为29mmx13mmx25.5mm的大的结构形式。

发明内容

本发明的任务因此在于，可以提供一种在相同的最低耐压强度下具有减小的结构体积的开关装置。

根据本发明通过一种开关装置来解决该任务，该开关装置具有

-第一开关接点和第二开关接点，和

-连接在第一开关接点和第二开关接点之间的开关元件，其中

-当由开关元件非导通地连接第一和第二开关接点时，在第一和第二开关接点之间得出预先确定的总最低耐压强度，

-至少一个电子器件连接在第一开关接点和开关元件之间，

-限制电压的器件与开关元件并联，和

-开关元件拥有最低耐压强度，该最低耐压强度低于在第一和第二开关接点之间的总最低耐压强度。

因此以有利的方式如下来达到预先确定的总耐压强度，即将限制电压的器件与具有减小的耐压强度的开关元件并联，并且将至少一个电子器件作为保护阻抗与该并联电路串联。由此，施加在开关装置上的电压划分到一个或多个保护阻抗和开关元件上。通常因此可以采用这样小的开关元件，使得包括并联的限制电压的器件和至少一个串联器件的总结构体积小于其最低耐压强度相当于总耐压强度的开关元件的总结构体积。

按照器件而定，最低耐压强度可以涉及仅仅冲击电压的检查或冲击电压和耐受电压的检查。开关元件的最低耐压强度和整个开关装置的也就是在开关接点之间的总最低耐压强度优选同样分别包括冲击耐压强度。

开关装置的开关元件可以是继电器或闸门。因此根据本发明可以采用通常的机电开关元件。替代地，也可以将可手动操作的机械开关用作为开关元件。除此之外，开关元件也可以是半导体器件，诸如晶体管或晶闸管。

与开关元件串联地连接在开关接点之间的至少一个电器件可以是欧姆电阻或电容器。利用这些器件可以向下分配开关接点之间的总电压，并且因此降低包括开关元件的每一个单个器件的所需耐压强度。至少一个电器件替代地也可以是另一开关元件。在此情况下，各个开关元件的最低耐压强度也累加成总最低耐压强度，由此每一个开关元件刚好可以拥有比总最低耐压强度低的最低耐压强度。

限制电压的器件可以是压敏电阻器或抑制二极。利用这样的器件可以用少的花费可靠地达到电压限制。但是替代地，限制电压的元件也可以是过压防护放电器。具有限定的空气路段的这种过压防护放电器虽然在构造上较费事，但是对于特定应用情况有时是有利的。

利用其可以记录通过限制电压的器件的电流的检测元件可以有利地集成到开关装置中，该电流来源于高于开关元件的最低耐压强度的过压。但是由于限制电压的器件通常能够实现最小的电流，检测元件因此必须能够（例如通过阈值比较）让该最小电流忽略不计。如果检测元件检测到通过开关元件和并联的限制电压的器件的总电流，则除此之外必须确保也检测开关元件的开关位置，使得可以将在开关元件断开时施加过压的情况与开关元件闭合的情况区分开。

开关装置优选满足标准IEC60664-1。这样的开关装置于是可以代替同样满足该标准的较大的继电器或较大的闸门。

附图说明

现在借助附图来详细阐述本发明，在附图中：

图1示出具有继电器和压敏电阻器的本发明开关装置的原理电路图，和

图2示出替代的开关装置的原理电路图，该替代的开关装置具有抑制二极管作为限制转换的器件。

具体实施方式

以下所详细描述的实施例是本发明的优选的实施形式。

图1中示出作为安全开关的示例性的开关装置，该开关装置例如可以用于转换电源电压（尤其是230V）。开关装置拥有第一开关接点P1和第二开关接点P2，在这些开关接点上施加要转换的或要经受的电压。在两个开关接点P1和P2之间要确保总最低耐压强度。对于整个开关装置因此要确保预先确定的冲击耐压强度，并且可选地也要确保预先确定的耐受耐压强度。以下在适用概念“耐压强度”时既指的是冲击耐压强度同样也指的是耐受耐压强度。

图1的开关装置作为中央元件在这里具有闸门或继电器K1。继电器K1拥有第一开关接点1和第二开关接点2。经由在这里为了清晰起见没有进一步接线的控制线路3，4进行继电器K1的电操控。限制电压的压敏电阻器VDR与继电器K1并联。该压敏电阻器因此以其极点连接到继电器K1的开关接点1和2上。在整个开关装置的开关接点P1和继电器K1的开关接点1之间连接了作为保护阻抗的电阻R1，R2，…，Rn的串联电路5。在最简单的情况下，作为保护阻抗的仅仅一个唯一的电阻位于开关接点1和P1之间。

可选地，可以将附加的器件B1连接在继电器K1的第二开关接点2和整个开关装置的第二开关接点P2之间。这样的器件可以是检测设备的一部分，利用该检测设备可以确定在开关装置上是否施加了过压。该附加的器件B1例如可以是包含LED或光电耦合器作为检测元件的信号级。于是利用检测设备可以探测，在断开的或非导通的开关元件的情况下在开关装置上是否施加有过压。这意味着，如果检测元件检测到在如图1的示例中的开关装置的两个开关接点P1和P2之间的总电流，则用于分析的检测设备也必然检测到开关元件（这里为继电器K1）的开关状态。

因此将限制电压的器件（这里为压敏电阻器VDR）与本来的开关元件（这里为继电器K1）并联，使得在过压情况下将出现在开关元件的开关接点1和2上的电压限制到对于开关元件来说兼容的值上。通过串联的其它组件（这里为串联电路5），可以达到在整个开关装置的开关接点P1和P2上的所要求的总耐压强度。因此将耐压强度划分到多个器件上。

限制电压的器件、在本实施例中为压敏电阻器VDR的规格必须被设计为使得其箝位电压（限制电压）不超过开关元件的最大可兼容电压。如果继电器K1例如拥有750V的耐压强度，则压敏电阻器的箝位电压也应该最高为750V，例如700V，其中应注意相应的容差。

如果例如要求在开关装置的开关接点P1和P2之间的6kV的总最低耐压强度（1.2/50μs脉冲），则剩余的5.25kV必须落到保护阻抗R1，R2，…，Rn上。保护阻抗R1，…，Rn附加地用于电流限制。

继电器K1因此不必再单独拥有6kV的总最低耐压强度。更确切地说，继电器K1在本示例中拥有750V的最低耐压强度就足够了。因此可以适用显著较小的继电器，例如具有21.3mmx5.08mmx12.5mm结构形式的Omron的G6DS-继电器。该继电器仅具有型号为OA/OW5669的上述Dold安全继电器的结构体积的约14%，该Dold安全继电器拥有6kV的固有的最低耐压强度。附加的器件、也就是保护阻抗和压敏电阻器需要明显少于所节省的结构体积的86%。因而通过本发明的开关装置在相同的总最低耐压强度的情况下可以达到显著的结构空间节省。

图2示意性地再现了一种替代的实施例。这里虽然又绘出了继电器K1作为开关元件，但是该继电器K1也代表闸门或另外的机械开关，也代表半导体开关元件，如晶体管、晶闸管等等。在半导体开关元件的情况下，最低耐压强度仅涉及冲击电压。

在图2的示例中，抑制二极管SD作为限制电压的器件连接到开关元件（这里为继电器K1）上。如在图1的示例中的压敏电阻器VDR那样，抑制二极管SD也用来保护开关元件免受短时的过压脉冲。替代于抑制二极管，也可以将高压齐纳二极管、Cera二极管等等与开关元件并联。由此，在任何情况下实现了在开关元件上的电压限制。

在图2的串联电路5’中，在这里除了电阻R1，…，Rn之外，串联地集成有所谓的“失效保险电容器（Fail-Safe-Kondensator）”。该失效保险电容器也用于电压分配，并且该失效保险电容器拥有附加的优点，即其抑制直流分量。串联电路5’在这里也应看作为纯粹示范性的，并且该串联电路也可以象征性地表示单个的保护阻抗或另外的阻抗组合。

作为附加的器件B1（请参阅图1），在图2的示例中，光电耦合器OK连接在继电器K1的开关接点2和开关装置的第二开关接点P2之间。一旦在继电器的断开状态下或在半导体开关元件的非导通的状态下电流流过抑制二极管SD或另一限制电压的器件，则在整个开关装置上施加过压，并且该电流于是也流过光电耦合器OK的发光二极管。因而接通了光电耦合器OK的光电晶体管，并且可以由没有详细示出的检测设备分析该开关过程或开关状态，以便发出存在过压的信号。

在正常运行（“非过压情况”）下，检测设备或检测元件（例如光电耦合器、电阻、…）例如可以用于传输测量信号，或监视/传送开关元件（例如继电器）的开关状态。

通过这两种根据本发明的开关技术的措施（在开关接点上的电压限制和附加的保护器件的串联电路），可以将过压划分到器件上并且因此对于每一个单个的器件限制到可兼容的程度上。因此在安全性相对于所谓的“单个失效条件（Single-Failure-Conditions）”同时上升的情况下，可以将每一个器件的规格设计得较小，其中在所述单个失效条件下，整个电路的单个器件失效。只要得出正确的规格设计，串联电路的唯一器件的失效也就还不意味着完整的绝缘路段的失效。也就是如果例如串联的保护器件之一失效了（例如在R1中的短路），则总是还得出在其余的保护阻抗和限制电压的器件上的剩余安全性。

附图标记列表

1第一开关接点

2第二开关接点

3，4控制线路

5，5’串联电路

B1附加的器件

C电容器

K1继电器

OK光电耦合器

P1第一开关接点

P2第二开关接点

R1，R2，…，Rn电阻

SD抑制二极管

VDR压敏电阻器。

Claims (10)

1.开关装置，具有

-第一开关接点（P1）和第二开关接点（P2），和

-连接在第一开关接点和第二开关接点之间的开关元件（K1），其中

-当由开关元件非导通地连接第一开关接点和第二开关接点时，得出在第一开关接点和第二开关接点之间的预先确定的总最低耐压强度，

其特征在于，

-至少一个电子器件（5，5’，R1，…，Rn）连接在第一开关接点（P1）和第二开关接点（P2）之间，

-限制电压的器件（VDR，SD）与开关元件（K1）并联，和

-所述开关元件（K1）拥有最低耐压强度，所述最低耐压强度小于在第一开关接点和第二开关接点（P1，P2）之间的总最低耐压强度，

其中开关元件（K1）是继电器或闸门，并且

其中开关元件被选择得如此小，使得包括并联的限制电压的器件和至少一个串联器件的总结构体积小于其最低耐压强度相当于总耐压强度的开关元件的总结构体积。

2.按照权利要求1的开关装置，其中开关元件（K1）的最低耐压强度和开关接点（P1，P2）之间的总最低耐压强度分别包括冲击耐压强度。

3.按照权利要求1或2的开关装置，其中开关元件（K1）是半导体器件。

4.按照权利要求1或2的开关装置，其中至少一个电子器件（5，5’，R1，…，Rn）是欧姆电阻或电容器。

5.按照权利要求1或2的开关装置，其中至少一个电子器件（5，5’，R1，…，Rn）是另一开关元件。

6.按照权利要求1或2的开关装置，其中限制电压的器件（VDR，SD）是压敏电阻器、抑制二极管、陶瓷二极管或齐纳二极管。

7.按照权利要求1或2的开关装置，其中所述限制电压的器件（VDR，SD）是过压防护放电器。

8.按照权利要求1或2的开关装置，检测元件集成到该开关装置中，利用该检测元件能记录通过限制电压的器件（VDR，SD）的电流，该电流来源于高于开关元件（K1）的最低耐压强度的过压。

9.按照权利要求1或2的开关装置，检测元件集成到该开关装置中，当不存在高于开关元件（K1）的最低耐压强度的过压时，利用该检测元件能传送测量信号或开关元件（K1）的开关状态。

10.按照权利要求1或2的开关装置，该开关装置满足标准IEC60664-1。